第10章 上 光电传感器

第十章（上）光电传感器第十章（上）介绍光电效应、光电元件的分类、结构、工作原理、特性、应用电路，以及光电传感器的四种类型的应用实例。还简单介绍了光辐射的基本知识。第十章（下）介绍光电开关及光电断续器的原理及应用见。第十章（参考阅读）介绍CCD图像传感器、热成像技术、光导纤维传感器的原理及应用。現在時間是：*2023/10/172第一节光电效应与光电元件第二节光电元件的基本应用电路第三节光电传感器的应用

第十章（上）光电传感器目录进入进入进入有一些页面的文字较多，

请教师根据自己的专业方向做减法。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf（或hν）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。第一节光电效应及光电元件光电效应的分类第一类：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属于半导体元件。一、基于外光电效应

的光电元件a)光电管b)外光电效应示意1－阳极a2－阴极k3－石英玻璃外壳4－抽气管蒂5－阳极引脚6－阴极引脚7－金属表面8－光子9－光致发射电子金属板“光电子”电磁波频谱（光是一种电磁波）

光电管电路及特性

当电子获得的能量足够大时,电子就可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射，光电流IΦ正比于光电子数和光照度。1－低照度时的曲线

2－紫外线增强时的曲线石英玻璃壳高职资料咨询电话外光电管当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，形成电子发射。用于紫外线测量、火焰监测等。可见光较难引起光电子的发射。火焰的辐射光中包含了较大比例的紫外光，有别于灯光，以及纯粹的高温红外辐射。紫外线玻壳用对紫外线透光率较好的石英材料制造二、基于内光电效应的光电元件

（一）光敏电阻为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

光敏电阻的图形符号：

构成光敏电阻的材料有：

金属的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半导体。

1.光敏电阻工作原理当光敏电阻受到光照时，半导体材料中的电子吸收光子能量后，成为自由电子，同时产生空穴，电阻率变小。

光照越强，光生电子-空穴对就越多，阻值就越低。入射光消失，电子-空穴对经几毫秒时间逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光照时，左右电极之间的阻值减小。光敏电阻原理演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子-空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（温度升高，暗电增大）光照产生的电流称为亮电流2.光敏电阻的特性和参数（1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。（2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时,光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性(非线性严重)（3）响应时间：光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间(下降时间)才能恢复到其暗电流值，（时延特性）。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为10–2～10–3s，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。部分光敏电阻的特性参数3．发光强度、光通量、照度简介发光强度的单位是国际单位制中七个基本单位之一，540×1012Hz（约0.55μm）的单色光是对人眼最敏感的黄绿色光。按此规定，40W和60W的白炽灯在标准条件下的发光强度约为28cd（坎德拉）和50cd，并不与瓦数成正比。光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量，称为光通量，用符号Φ表示，单位为流明（lm）。一个l00W白炽灯约可产生l700lm的光通量，而一支40W白色日光灯管则可产生约3000lm的光通量。照度是用来表示被照物体被照亮的程度。受照物体表面每单位面积（1m2）上接收到的光通量称为照度，符号为E，单位为勒克司（lx）。照度E照度是用来表示被照面（点）上光的强弱。受照物体表面每单位面积（1m2）上接收到的光通量称为照度，符号为E，单位为勒克司（lx）。被测光均匀并垂直照射平面时的照度E=Φ/A。上式中，Φ为物体表面单位面积上接收到的总光通量，A为被照面积，所以1lx等效于1lm/m2。150lx是教育部门要求所有学校课堂桌面所必须达到的标准照度。环境照度

环境状态照度E/lx满月时的地面0.220cm远处的烛光10～15黄昏室内1040W荧光灯正下方1.3米9040W白炽灯下1米30晚上教室桌面＞150晴天中午室内的窗口桌面2000~4000阴天中午室外6000晴天中午室外10000～80000常用光度学的名称、符号、单位及说明

名称符号单位说明光通量Φ流明lm发光体每秒所发出的光量总和光强I坎德拉cd发光体在特定方向的单位立体角内所发射的光通量照度E勒克斯lm/m2

发光体照射在被照物体单位面积上的光通量亮度L尼脱cd/m2发光体在视线方向单位投影面上的发光强度（二）光敏二极管、光敏晶体管

光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统称为光敏管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，暗电流也较大。光敏晶闸管经强光照后，触发导通，工作电流可达安培数量级，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。光敏二极管的PN结被设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。1－负极引脚2－管芯3－外壳4－玻璃聚光镜5－正极引脚6－N型衬底7－SiO2保护圈8－SiO2透明保护层9－铝引出电极10－P型扩散层11－耗尽层12－金丝引出线1.光敏二极管的结构及工作原理光敏二极管的工作原理

没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当合适波长的光照射在光敏二极管的PN结（又称耗尽层）上时，原子中的电子吸收光子的能量，变成自由光子。相应地，产生同样数量的空穴。

光照增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，在外加的反向电压的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，从而产生反向电流电流（称为光电流），光电流在很大的范围内与照度成正比。部分光敏二极管特性参数.光敏二极管实物照片

将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。透镜+-光敏二极管外形

光敏二极管阵列

包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜等。光敏二极管伏安特性及红外发射、接收对管

红外接收管红外发射管光敏二极管的反向偏置接法在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

电路的输出电压Uo与光电流ID成正比，在一定范围内，与光照度E成正比。

光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照特殊光敏二极管——PIN二极管PIN光敏二极管是在P区和N区之间插入一层较厚的I本征半导体层，从而使PN结的间距加宽，结电容变小(几个pF)。因此，PIN光敏二极管的频带较宽，可达GHz数量级。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）只需十几伏，光电转换效率较高，灵敏度比普通的光敏二极管高上百倍。特殊结构的PIN二极管可用于测量紫外线。PIN光敏二极管的缺点是I层电阻较大，输出电流较小，一般多为微安数量级。目前已可将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上，并封装于一个管壳内，用于光纤通信。PIN二极管.2023/10/1730PIN二极管的PN结.特殊光敏二极管——APD二极管APD光敏二极管(雪崩光敏二极管)是一种具有内部倍增放大作用的光敏二极管,灵敏度比PIN大几百倍。当有一个光子从外部射入到其PN结上时,将产生一个电子空穴对。由于PN结上施加了较高的工作电压(约100V),接近于反向击穿电压。PN结中的电场强度可达104V/mm数量级，因此能将光子所产生的光电子加速到具有很高的动能,撞击其他原子,产生新的电子空穴对,如此多次碰撞,以致最终造成载流子按几何级数剧增的“雪崩”效应,形成对原始光电流的放大作用,增益可达几千倍,而雪崩产生和恢复所需的时间可小于1ns,适用于微光信号检测。APD光敏二极管的主要缺点：噪声大。若有用光电信号很小，就会被噪声淹没。APD光敏二极管的PN结、内部电场分布

及电子倍增效应APD载流子雪崩式倍增示意图APD光敏二极管的

外形及用途APD二极管适用于微光测量和远程光纤通信。2.光敏晶体管

光敏晶体管又称“光敏三极管”，它有两个PN结。与普通晶体管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏晶体管的基极没有引出线，只有正负（C、E）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。

光敏晶体管的结构a）管芯结构b)结构简化图c）光敏晶体管图形符号1－N+衬底2－N型集电区3－透光SiO2保护圈4－集电结JC5－P型基区6－发射结JE7－N型发射区光敏三极管的外形

多数只有C、E

两个电极CEBCE（三）光敏二极管和光敏晶体管的特性

1.硅光敏晶体管的光谱特性

电磁波频谱光的辐射基础2023/10/1738几种光敏材料的光谱峰值波长.材料名称GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值波长/μm0.60.650.81～21.31.31.41.655.02.光敏二极管和光敏晶体管的伏安特性伏安特性曲线：描述器件的电流与电压的关系。常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U，以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。施加在光敏二极管的PN结两端的电压和流过光敏二极管的电流之间的关系曲线称为光敏二极管的伏安特性曲线。正向特性：u>0的部分称为正向特性。反向特性：u<0的部分称为反向。反向击穿：当反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，称之反向击穿。流过硅光敏二极管的电流与光照度成正比，而基本上与反向偏置电压

Uo无关。正常使用时要施加1.5V以上的反向工作电压来减小暗电流。光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管在不同照度下的伏安特性与一般晶体管在不同基极电流下的输出特性相似。光敏晶体管的工作电压一般应大于3V。若在伏安特性曲线上作负载线，便可求得某光强下的输出电压UCE。光敏二极管、光敏晶体管的光电特性比较

0光照

光电流光敏晶体管光敏二极管3000lx4mA请分析光敏二极管、光敏晶体管的灵敏度曲线差异0.3mA请作图、计算当E=1000lx时，光敏二极管的光电流IΦ

IΦEICE0光敏管的温度特性和响应时间4.温度特性：温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大，并且是非线性的，将给微光测量带来误差。硅光敏晶体管的温漂比光敏二极管大许多，虽然硅光敏晶体管的灵敏度较高，但在要求准确度测量中却必须选用硅光敏二极管，并采用低温漂、高准确度的运算放大器来提高检测灵敏度。5.响应时间：工业级硅光敏二极管的响应时间为10-5～10-7s左右，光敏晶体管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率（明暗交替频率）较高时，应选用硅光敏二极管。光敏管的频率特性当光脉冲的重复频率提高时，光敏二极管的输出电流的变化无法立即跟上光脉冲的变化，输出波形产生失真。当光敏二极管的输出电流或电压脉冲幅度减小到低频时的1/（0.707倍）时,该光脉冲的调制频率就是光敏二极管的最高工作频率fH，又称截止频率。tr为上升时间，tf为下降时间。a）输入调制光脉冲b）光敏二极管脉冲响应3DU光敏三极管特性参数三、基于光生伏特效应的光电元件——光电池在P型衬底上制造一很薄、透明的N型层作为光照敏感面，再在上面覆盖栅状透明电极,就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，PN结每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，光生电子-空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴漂移到P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，这就是光生伏特效应。

回目录太阳能电池的种类非晶硅可挠式（一）光电池的结构及工作原理注：也有一些不同工艺的光电池的结构，是将光线照射到P区的。光电池内部载流子的漂移示意图入射光线光电池外形光敏面（二）光电池的基本特性1.光电池的光谱特性硅光电池对近红外敏感（峰值波长0.8μm）。硒光电池对可见光敏感。随着制造技术的进步,硅光电池已具有从蓝紫到近红外的宽光谱特性。目前许多厂商已生产出峰值波长为0.7μm(可见光)的硅光电池,在紫光(0.4μm)附近仍有40%～60%的相对灵敏度。2.光电池的光电特性

光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。开路电压Uo与光照度的关系呈非线性，近似于对数关系，在2000lx照度以上就趋于饱和。负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系就愈好。当负载短路时，光电流在很大范围内与照度成线性关系，当希望光电池的输出与光照度成正比时.应把光电池作为电流源来使用。

当被测非电量是开关量时，也可以把光电池作为电压源来使用。开路电压对数特性短路电流光电池的光电特性演示0光照请作图计算当E=1000lx时，光电池的电流IΦ和电压Uoc开路输出电压10000lx0.6V开路电压

UocE8mA5000lx短路输出电流短路电流Isc4mA0.55V结论？3.光电池的伏安特性当RL很小（例如图中所示的500Ω）时，照度E每变化100lx，其输出电流IΦ的间隔基本相等，说明此时IΦ与E成正比。当RL增大时，输出电流与输出电压的非线性越来越大。所以在精密测量时，必须设法使RL=0，必须采用电流/电压转换电路。

硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，高频转折频率就越高，硅光电池的频率响应可达数兆赫。4.光电池的温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压Uo及短路电流Io随温度变化的特性。开路电压随温度增加而下降，开路电压的温度系数约为-0.34%/℃；短路电流温度系数：+0.017%/℃。工作温度范围：-40～+90℃。当光电池作为检测元件时,应考虑温度漂移的影响,采取相应措施进行温度补偿。硅光电池温度特性5.光电池的频率特性频率特性是描述入射光的调制频率与光电池输出电流间的关系。由于光电池受照射产生电子-空穴对需要一定的时间，因此当入射光的调制频率太高时，光电池的输出光电流将下降。

硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，高频转折频率就越高，硅光电池的频率响应可达数兆赫。能提供较大电流的

大面积光电池外形

（频率特性很差）光电池

组件2023/10/1758太阳能电池在动力方面的应用阳光动力2号太阳能飞机太阳能电风扇组件光电池在动力方面的应用（续）沙漠住宅太阳能供电光电池在动力方面的

应用（续）嫦娥飞船上的光电池板各种光电池柔光罩下面为圆形光电池

四象限探测器：完全对称的4个光敏元件置于光学系统焦平面上。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同。常用于激光制导、跟踪等。第二节光电元件的基本应用电路一、光敏电阻的基本应用电路图a中，当无光照时，光敏电阻RΦ很大，IΦ在RL上的压降Uo很小。随着入射光增大，RΦ减小，Uo随之增大。图中，入射光增大，Uo反而减小。a）Uo与光照变化趋势相同的电路b）Uo与光照变化趋势相反的电路回目录二、光敏二极管的应用电路光敏二极管在应用电路中必须反向偏置。利用施密特反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。Ui=5V-URL=5V-

IΦRL三、光敏晶体管应用电路a）射极输出电路b）集电极输出电路表10-2光敏晶体管的输出状态比较电路形式无光照时强光照时晶体管状态ICUo晶体管状态ICUo射极输出截止00（低电平）饱和(VCC-0.３)/RLVCC-UCES(高电平)集电极输出截止0VCC（高电平）饱和(VCC-0.３)/RLUCES(0.3V低电平)例：光控继电器电路如下图，请分析工作过程。

设：V2的β足够大，求：在强光照时，继电器的状态。解：

1）当无光照时，V1截止，IB=0，V2也截止，继电器KA处于失电（释放）状态。2）当有强光照时，V1产生较大的光电流IΦ，IΦ一部分流过下偏流电阻RB2（起稳定工作点作用），另一部分流经RB1及V2的发射结。当IB>IBS(IBS=ICS/β)时，V2饱和，产生较大的集电极饱和电流ICS（与IB基本无关），ICS=(VCC－0.3V)/RKA。若ICS大于继电器KA的额定动作距离，则KA吸合。

思考：若将V1与RB2的位置上下对调，其结果如何？四、光电池的应用电路

——光电池短路电流测量电路

I/U转换电路的输出电压Uo与光电流IΦ成正比。若光电池用于微光测量时，IΦ可能较小，则应增加二级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。

该电路的输出电压Uo与光电流IΦ成正比，从而达到电流/电压转换的目的。

若希望Uo为正值，可将光电池极性调换。若光电池用于微光测量时，IΦ可能较小，则可增加一级放大电路A2，并使用电位器RP微调总的放大倍数。.第三节光电传感器的应用a）被测物是光源b）被测物吸收部分光c）被测物是有反射能力的表面d）被测物遮蔽部分光1－被测物2－光电元件3－恒光源光电传感器的几种应用形式的演示回目录一、光源本身是被测物的应用实例

——照度计光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计（也称勒克斯计）来测量。

光电池(外加柔光罩）照度计的技术指标

照度计又称勒克斯计是一种专门测量光度、亮度的仪器仪表,用于测量光照度(物体被照明的程度)，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比。照度计通常是由硒光电池或硅光电池和数字微安表电路、色彩补偿、余弦补偿、微处理器、三位半数字液晶显示器等组成。技术指标：示值切换范围：1.999×10nlx（n=1~5）取样率：2.5次/秒操作环境：0~50℃相对湿度<70%RH1.红外线辐射温度计红外线的波长在0.76～100μm之间，位于微波与红光之间。任何物体，只要它的温度比零下273度高，就无一例外地发射出红外线。红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30℃～3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。可用于铁路机车轴温检测，冶金、化工、高压输变电设备、热加工流水线表面温度测量，但不适合测量表面亮丽的铝、不锈钢等物体的表面温度。红外线辐射温度计外形

激光仅用于瞄准红外线辐射温度计原理红外辐射测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学透镜及仪器与被测物的距离确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照设计的算法和目标发射率校正后，显示出被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标的黑度、测温仪所在的环境条件，如气温、污染等因素对性能指标的影响，并作适合的修正。红外辐射温度计原理（续）测试时，按下手枪形测量仪的开关，将枪口射出的低功率红色激光瞄准到被测物中央部位（瞄准用），这样，被测物发出的红外辐射能量就能准确地聚焦在红外辐射温度计“枪口”里面的光电池上。CPU根据距离、被测物表面黑度辐射系数、水蒸气及粉尘吸收修正系数、环境温度以及被测物辐射出来的红外光强度等诸多参数，计算出被测物体的表面温度。当被测物不是绝对黑体时，在相同温度下，辐射能量将减小。比如十分光亮的物体只能发射或接收很少一部分光的辐射能量，因此必须根据预先标定过的温度，输入光谱黑度修正系数ελ（或称发射本领系数）。测量时，必须保证被测物体的“热像”充满光电池的整个视场。因此与被测物距离不能太远。红外辐射温度计原理框图1－枪形外壳2－红色激光瞄准系统3－滤光片4－聚焦透镜红外线辐射温度计在菜肴保温中的应用

红外线辐射温度计在非接触测量食物温度中的应用（续）红色激光仅用于瞄准被测物测量冷藏牛奶温度测量饭食温度红外线辐射温度计非接触测量管道的温度红外线辐射温度计

在非接触温度测量中的应用（续）红外线辐射温度计

在非接触体温测量中的应用耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温快速测量

红外线辐射温度计

测量电路板温度IC的温度测量红外线辐射温度计在非接触测量功率电路设备温度中的应用用于高压电路的安全测量

红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）红外线辐射温度计的数据采集系统装修内部的布线温度升高可能引燃天花板

红外线辐射温度计非接触测量钢水的温度

高温比色计在高温非接触测量

中的应用

高温比色温度计能抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。

高温比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。红色黄色2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用

热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。

热释电元件外形

热释电传感器简介热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射出的红外线，而输出电压信号的传感器。可以用于楼道自动开关、防盗报警、人体检测等。例如：在房间无人时能自动减小空调机的功率；能判断无人观看电视或观众已经睡觉后自动关机；有人活动时开启监视器；自动门铃；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动，以避免长时间空白画面而浪费计算机的硬盘空间。热释电效应某些电介质如锆钛酸铅（PZT，见第六章），表面温度发生变化时，在电介质的表面就会产生电荷，这种现象称为热释电效应。红外热释电传感器由滤光片、热释电红外敏感元件，高输入阻抗放大器等组成。制作热释电敏感元件时，先把热释电材料制成很小的薄片，在薄片两侧镀上电极，把两个极性相反的热释电敏感元件并排，再反向串联。红外热释电

传感器的

内部结构a）外形b）分体结构c）内部电气接线图d)滤光片的光谱特性1－滤光片2－管帽3－左、右敏感元件4－放大器5－管座6－引脚7－高阻值电阻R热释电传感器的放大电路两块反向串联的热释电晶片场效应管热释电传感器工作原理热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。菲涅尔透镜

菲涅尔透镜能将透镜前面的一个物体，在其后面成像为水平方向的n个物体。当发光物体水平移动时，能产生闪烁效果。菲涅尔透镜后面为热释电晶片菲涅尔透镜外形

传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。电路原理框图及带宽简介在正常行走速度下，由菲涅尔透镜产生的光脉冲调制频率约为6Hz左右；当人体快速奔跑通过传感器面前时，可能达到20Hz。再考虑到荧光灯、节能灯、LED灯的脉动频闪为100Hz，所以信号调理电路中的放大器带宽不应太宽,以0.1～20Hz为宜。带宽窄,则干扰小,误判率低；带宽大,噪声电压大,可能引起误报警。低频段对应于慢速移动;展宽高频段,有利于快速移动响应。现已将点画线框中的所有电路集成到一片厚膜电路中。热释电组件热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭热释电报警器（续）菲涅尔透镜Φ5mm接插件热释电报警器（续）

吸顶式热释电报警器热释电报警器（续）

无线报警式热释电报警器热释电传感器的应用

热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗。热释电传感器的感应范围热释电感应灯热释电传感器自动感应灯热释电传感器在智能空调中的应用

智能空调能检测出屋内是否有人，单片机据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。

空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围色标传感器

色饱和图

色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。人眼对各色光的敏感程度三基色合成色彩传感器及信号处理示意图1—红、绿、蓝滤色片2—玻璃基板3—α-Si4—透明导电膜5—公共电极6—背面引出电极7—遮光保护树脂8—电流/电压转换器色彩传感器的原理无定型硅（α-Si）制成的色彩传感器能得到三色信号。在玻璃基板上按顺序粘贴红、绿、蓝滤色镜，分别与R、G、B三个输出电极处于同一轴线上。α-Si本身的光谱灵敏度与人眼十分接近，峰值波长约为0.5~0.6

m。当光线透过红、绿、蓝滤光片后，就可以分别得到R、G、B三根光谱特性。色标传感器的用途

色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。可用于包装、印刷、制药、纺织、烟草等机械，以检测色标。还可用于彩色材料的定位、定长、分切、纠偏、计数等功能。各种色标传感器外形色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色色标传感器外形（续）色标传感器在流水线上检测产品的颜色

用多个色标传感器测量薄板的颜色产品包装色彩检测、分选二、被测物吸收部分光的应用实例1.光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试管插入仪器中光电式浊度计工作原理1—恒流源2—半导体激光器3—半反半透4—反射镜5—被测水样6、9—光电池7、10—电流/电压转换器8—标准水样参比通道（抵消外界影响）

光电式浊度计工作原理光源发出的光线经过半反半透镜分成两束强度相等的光线：一路光线穿过标准水样8，到达光电池9，产生作为被测水样浊度的参比信号；另一路光线穿过被测水样品5到达光电池6，其中一部分光线被样品介质吸收，样品水样越混浊，光线衰减量越大，到达光电池6的光通量就越小。两路光信号均转换成电压信号Uo1、Uo2，由运算器计算出Uo1、Uo2的比值，并进一步算出被测水样的浊度。参比通道目的：当光源的光通量由于种种原因有所变化，或环境温度变化引起光电池灵敏度发生改变时，由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算：Uo1/Uo2值（其值的范围是0～1）时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。类似结构还可以制成光电比色计、血色素浓度测量、化学分析等。2．烟雾报警器

无烟雾时，光敏晶体管接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏晶体管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。1－红外发光二极管2－烟雾检测室3－透烟孔4－红外光敏晶体管5－烟雾三、被测物体反射光的应用实例

1.反射式烟雾报警器

宾馆等场所强制安装火灾报警器：火灾发生时伴随有光和热的化学反应。物质在燃烧过程中一般有下列现象发生：（1）产生热量：使环境温度升高，可以用各种温度传感器来测量。但是在燃烧速度非常缓慢的情况下，火灾初期的环境温度上升不易鉴别的。（2）产生可燃性气体：有机物在燃烧的初始阶段,首先释放出来的是可燃性气体,如CO等。可以用气敏检测。（3）产生烟雾:烟雾是人们肉眼能见到的微小悬浮颗粒。烟雾有很大的流动性,可潜入烟雾传感器中,是检测比较有效的火灾的手段,可以用反射式光电传感器检测。（4）产生火焰：可利用紫外管检测,但需设计带通滤波器,只让检测紫外线的抖动信号通过,避开太阳光的照射.反射式烟雾报警器原理示意图1－红外发光二极管2－烟雾检测室3－透烟孔4－红外光敏晶体管5－黑色吸光绒布6－烟雾烟雾报警器外形在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏晶体管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏晶体管。烟雾报警无线烟雾报警器内部结构

可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的断续报警声，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。无线发